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北科大發(fā)表增材制造頂刊綜述：增材制造奧氏體不銹鋼的亞穩(wěn)態(tài)胞狀結(jié)構(gòu)！

2021-01-14 11:17:14 作者：本網(wǎng)整理來源：自材料學(xué)網(wǎng)微信分享至：

導(dǎo)讀：近日，北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院董超芳教授結(jié)合團(tuán)隊(duì)近五年在金屬增材制造領(lǐng)域的研究成果以About metastable cellular structure in additively manufactured austenitic stainless steels為題在增材制造頂刊《Additive Manufacturing》上發(fā)表綜述。近年來，其團(tuán)隊(duì)增材制造相關(guān)工作陸續(xù)發(fā)表在Corros Sci （2020:166,108425; 2020:166,108427; 2020:167,108520）； J Mater Sci Tech （2019:35（7），1499-1507; 2020:46,145-155）； Appl Surf Sci （2020:504,144495; 2019:467, 193-205）； J Alloy Compd （2019:785,826-837; 2019:803,637-648）等期刊。

增材制造金屬在成形過程中會(huì)產(chǎn)生特殊的組織結(jié)構(gòu)，除了魚鱗狀的熔池線以外，亞微米級(jí)的胞狀結(jié)構(gòu)展示出了獨(dú)特的性能。這種亞穩(wěn)態(tài)的胞狀結(jié)構(gòu)具有兩個(gè)明顯特征：1）部分元素偏聚在胞壁處；2）大量位錯(cuò)纏結(jié)在胞壁處。這種特殊結(jié)構(gòu)對(duì)材料的力學(xué)和腐蝕行為均產(chǎn)生了重大的影響，其形成原因、結(jié)構(gòu)特征、熱力學(xué)穩(wěn)定性以及性能相關(guān)的研究是增材制造領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。

本文以奧氏體不銹鋼為例，綜述了其胞狀結(jié)構(gòu)的形成動(dòng)力學(xué)、生長取向、晶體學(xué)特征、元素（或析出相）和位錯(cuò)富集原因以及其強(qiáng)韌化、耐蝕機(jī)理。最后，作者展望了如何利用胞狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)高性能增材制造金屬。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101804

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綜述強(qiáng)調(diào)了胞狀結(jié)構(gòu)在增材制造金屬中的普遍性，列舉了大量金屬中存在這種結(jié)構(gòu)并指出了各個(gè)合金在胞壁處富集的元素。作者從快速凝固理論出發(fā)，指出增材制造過程中較高的冷卻速度是造成這種胞狀結(jié)構(gòu)的主要原因，這種胞狀結(jié)構(gòu)也可認(rèn)為是無二次枝晶臂的枝晶結(jié)構(gòu)，其三維結(jié)構(gòu)呈圓柱狀，根據(jù)觀察的角度不同，其形貌可為近圓形或平行的枝晶狀。胞狀結(jié)構(gòu)的生長方向由最快生長晶體學(xué)取向和局部的溫度梯度場共同決定的，對(duì)于FCC或BCC結(jié)構(gòu)，其最快生長方向?yàn)樽罱咏鼫囟忍荻葓龅腫100]方向。

胞狀結(jié)構(gòu)壁處的元素偏聚可用傳統(tǒng)的溶質(zhì)原子再分配理論進(jìn)行很好的解釋。結(jié)合大量文獻(xiàn)，目前認(rèn)可度較高的解釋是這種位錯(cuò)胞狀結(jié)構(gòu)是由于在逐層熔融凝固過程中產(chǎn)生較高的熱應(yīng)力，在高溫下這種內(nèi)應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度，從而誘發(fā)塑性變形產(chǎn)生位錯(cuò)增殖，而位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)過程中由于偏聚元素對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用，從而使得位錯(cuò)在胞壁處富集。

表1激光選區(qū)熔化成形合金胞壁處的元素富集結(jié)果。

圖1（a）不同凝固組織形態(tài)的示意圖；（b）從熔池邊界開始外延生長的的胞狀結(jié)構(gòu)三維視圖；（c）激光選區(qū)熔化成形316L不銹鋼中的胞狀結(jié)構(gòu)的橫截面和縱向截面形貌。

圖2 （a）激光選區(qū)熔化成形316L不銹鋼胞狀位錯(cuò)結(jié)構(gòu)形貌和（b）模擬逐層熔融凝固過程中存在拉伸-壓縮內(nèi)應(yīng)力。

通過改變工藝參數(shù)，如改變激光掃描速度等，或者添加納米級(jí)第二相，則可以很大程度上改變胞狀結(jié)構(gòu)的尺寸，進(jìn)而改變材料的性能。以316L奧氏體不銹鋼為例，這種胞狀結(jié)構(gòu)能極大提高材料的強(qiáng)度，包括屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及異質(zhì)變形應(yīng)力，同時(shí)，材料的塑性也不降低甚至有所提高。主要原因是胞狀結(jié)構(gòu)壁雖能夠阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，但不能完全抑制位錯(cuò)穿過胞壁；同時(shí)，變形過程中納米孿晶可從胞壁處萌生，從而形成納米孿晶和胞狀結(jié)構(gòu)纏結(jié)的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，協(xié)調(diào)變形。由此可知，胞狀結(jié)構(gòu)的連貫性異常重要，若在熔池邊界發(fā)生斷聯(lián)，則在變形過程中會(huì)產(chǎn)生較明顯應(yīng)力集中。

圖3（a1-a4）不同激光掃描速度下成形的316L不銹鋼的胞狀結(jié)構(gòu)，以及（b-d）溫度場的模擬結(jié)果。

圖4 變形后的激光選區(qū)熔化成形 316L 不銹鋼的STEM顯微照片：（a）明場STEM圖像中的高密度納米孿晶；（b）簇狀納米孿晶和孿晶邊界的原子結(jié)構(gòu)，孿晶和基體分別為藍(lán)色和黃色。（c）變形中穿過胞狀邊界位錯(cuò)的原位TEM觀察；（d）激光選區(qū)熔化316L 不銹鋼的屈服強(qiáng)度和延展性數(shù)據(jù)對(duì)比；（e）激光選區(qū)熔化和鍛造退火316L不銹鋼的應(yīng)變硬化率和真應(yīng)力的比較。

圖5 （a）激光選區(qū)熔化和鍛造退火316L 不銹鋼加載-卸載-再加載曲線；（b）變形過程中形變誘導(dǎo)應(yīng)力隨形變量的演變；（c）不同界面對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙示意圖；（d）胞狀結(jié)構(gòu)和晶界誘導(dǎo)異質(zhì)變形應(yīng)力隨應(yīng)變的演變規(guī)律。

胞狀結(jié)構(gòu)的存在也提高了不銹鋼的鈍化能力，主要原因在于胞壁和胞內(nèi)存在微電勢差，這種微電偶效應(yīng)促使胞內(nèi)鈍化膜快速生長；同時(shí)，胞壁處位錯(cuò)富集也是鈍化膜優(yōu)先形核的位點(diǎn)，二者耦合促使增材制造不銹鋼表面生成比鍛造材料更厚的鈍化膜，從而提高材料的耐蝕性能。胞壁處的位錯(cuò)也是缺陷、間隙原子存在的低能區(qū)域，因此，胞狀結(jié)構(gòu)的存在使得材料的抗輻照損傷能力增強(qiáng)等。

圖6 （a, b）激光選區(qū)熔化316L 不銹鋼的SKPFM結(jié)果；（c）跨過熔池邊界的輪廓及電位分布結(jié)果；（d）在相同溶液環(huán)境（硼酸緩沖液）下，不同鈍化電位下鈍化電流密度的降低速率對(duì)比；（e）鍛造退火和（f）激光選區(qū)熔化316L不銹鋼在相同成膜條件下的厚度對(duì)比。

圖7（a-e）鍛造退火和（f-j）激光選區(qū)熔化316L 不銹鋼在不同輻照條件下的TEM結(jié)果；（k, l）在輻照條件下，空位和氦泡等在胞狀結(jié)構(gòu)處的分布情況。

圖8 增材制造胞狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路以及其組織結(jié)構(gòu)特征與性能的關(guān)聯(lián)示意圖。

綜上所述，胞狀結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)的凝固亞結(jié)構(gòu)，具有很多特殊性能。今后通過對(duì)胞狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改性，進(jìn)一步提高材料的性能是一個(gè)研究的重點(diǎn)，可通過改變工藝參數(shù)、合金化或者后續(xù)處理等手段。

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